电机与拖动课程设计PWM脉宽调速系统设计报告.docx
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电机与拖动课程设计PWM脉宽调速系统设计报告
《电机与拖动》课程设计
直流电机PWM脉宽调速系统设计
目录.............................................................1一、课程设计内容.................................................2
二、设计原理......................................................2
2.1系统设计原理...........................................2
2.2PWM基本原理............................................3
2.3PWM调速基本原理.......................................3
三、方案设计与选择..............................................4
3.1脉宽调制电路的选择.....................................4
3.2驱动电路的选择...........................................4
四、方案具体实现.................................................5
4.1设计方案...............................................5
4.2直流电机驱动控制总流程图............................5
4.3矩形波信号产生器......................................5
4.4驱动电路................................................7
4.5总电路图................................................9
4.6调试数据及波形........................................10
4.6.1调试数据......................................10
4.6.2调试波形......................................10
五、调试过程中遇到的问题及解决方案.........................11
六、心得体会....................................................12
七、元件清单....................................................12
1
八、小组分工....................................................12
一、设计内容
1直流电机的调速有单象限，二象限和四象限三种工作形式。
要求学生选择后两种工作形式的任意一种进行设计。
2选用额定电压为220V，额定电流为1.2A的它励直流电动机（即把实验室的并励直流电动机做它励接法）作为调速对象。
要求带一发电机负载进行调速实验。
二、设计原理
2.1.系统设计原理
脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为
（1）
式中Ua——电枢供电电压（V）；
Ia——电枢电流（A）；
Ф——励磁磁通（Wb）；
Ra——电枢回路总电阻（Ω）；
CE——电势系数，，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。
2
由式
（1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：
（1）改变电枢回路总电阻Ra；；
（2）改变电枢供电电压Ua；（3）改变励磁磁通Ф
下图为PMW直流电机设计框图
2．2.PWM基本原理
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
简而言之，就是用改变电机电枢（定子）电压的接通和断开的时间比（占空比）来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。
只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。
2.3.直流电机PWM调速基本原理
众所周知，直流电动机转速公式为：
n=（U-IR）/Kφ
3
其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。
直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。
随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制（PWM）便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。
其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度。
三、方案设计与选择
3.1脉宽调制电路的选择
方案1：
采用51单片机来进行PWM的产生以及调控。
方案2：
采用TL494脉宽调制芯片
鉴于TL494芯片价格较低而且外围电路比较容易搭建，调控方便，故选用了方案2来进行PWM的产生。
3.2驱动电路的选择
方案1：
使用多个功率放大器件例如三极管以及相关功率管等，通过不同的放大驱动电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大要求以及相应的控制时序，但由于控制的是半桥驱动电路，需要考虑到独立电源的问题，电路制作比较复杂。
方案2：
采用专用驱动集成芯片IR2111来驱动半桥，IR2111是功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路，可用来驱动工作在母线电压高达600V的电路中的N沟道功率MOS器件。
采用一片IR2111可完成两个功率元件的驱动任务，其内部采用自举技术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电源；可实现对功率MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有完善的保护功能。
很明显采用方案2有较大优势，而且外围电路制作简单，控制方便，采用方案二。
4
四、方案具体实现
4.1设计方案
主电路采用两个MOSFET管与电机连接成半桥电路，通过控制MOSFET的开通与关断来实现对电工作状态的控制，从而实现调节电机转速的功能。
因此，主电路比较简单。
而设计的最关键环节应该是MOSFET的驱动电路的设计，在这里，我们可以采用TL494结合IR2111来驱动MOSFET管。
4.2直流电机驱动控制总流程图
直流电机驱动控制电路分为控制信号电路、脉宽调制电路、IR2111信号驱动电路、单臂功率驱动电路等部分，控制总流程如图1所示。
图1控制总流程
由图1可以看出先调节滑动电阻，然后由TL494进行脉宽调制，其PWM输出信号经IR2111芯片产生两路互补PWM信号进而驱动半桥，控制直流电机运行。
4.3矩形波信号产生器
5
我们的方波信号产生器采用专用芯片TL494构成。
如图2所示是TL494的内部结构图。
根据这个内部结构图，只要在12脚加上工作电压，我们就可以在14脚得到5V的基准电压输出。
同时，我们可以通过改变5脚或者6脚的CT、RT得知来改变振荡
1
器的频率大小，从而改变在9脚输出的矩形波的频率大小，其频率大小与CT、RT的关系如下
f=
同时，通过控制1脚的输入电压的大小，就可以方便控制输出矩形波的占空比。
从而，可以设计出如图3所示的矩形波信号产生器。
6
图2TL494内部结构图
图3TL494接线图
4.4驱动电路
IR2111是功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路,可用来驱动工作在母线电压高达600V的电路中的N沟道功率MOS器件。
采用一片IR2111可完成两个功率元件的驱动任务，选用IR2111芯片能对前面送进的PWM波分成两路反相的讯号，从而进行后面元件的驱动。
7
IR2111内部结构图如图4，引脚图见图5
图4IR2111内部结构图
图5IR2111引脚图
引脚介绍：
1脚：
Vcc是给IR2111供电的电源,一般为15V
2脚：
IN是控制信号的输入端,输入等效电阻很高,可直接连接来自前面触发电路的PWM波
3脚:
COM是接地端
4,7脚：
HO、LO分别是上、下管控制逻辑输出端
6脚：
Vs是高压侧悬浮地
8
8脚：
Vb是为高压侧悬浮电源端
基于IR2111的驱动放大电路见图5
图5基于IR2111的驱动放大电路
4.5总电路图
经过汇总得到的总电路图如图5所示。
图7系统总图
9
4.6调试数据及波形
4.6.1调试数据
占空比（%）
90
80
70
60
50
40
30
20
10
转速/n
464
429.2
378.5
344.3
/
/
/
/
/
电流/A
0.9
0.73
0.56
0.46
（在实验数据中，后面的空白是因为在测量过程经过一半时，想让老师验收后再继续测量数据，结果在验收过程中，电流在调至1.0A左右时MOS管击穿。
而时值课程设计即将结束，从而导致无法继续测量数据）
4.6.2调试波形
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五、调试过程中遇到的问题及解决方案
1）第一次调试时TL494芯片九脚无输出，后来经反复检查，发现是芯片坏了。
解决方案：
换芯片。
2）在电路设计图及焊板无误的情况下，发现TL494芯片经常烧坏。
可能原因：
经过老师检查后，有可能是所购买的MOS管型号不对，导致MOS管在电流稍大（但此时电流大小还没到达实验的要求）的情况下击穿，从而导致TL494容易被烧坏。
解决方案：
重新购买MOS管，但由于课程设计已结束，无法验证。
（在实验数据中，后面的空白是因为在测量过程经过一半时，想让老师验收后再继续测量数据，结果在验收过程中，电流在调至1.0A左右时MOS管击穿。
而时值课程设计即将结束，从而导致无法继续测量数据）
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六、心得体会
①在做实验时一定要细心
②遇事勿慌，勿手忙脚乱，冷静下来，一点一点排查错误
七、元件清单
元件名
数目
备注
TL494
1
IR2111
1
10K电阻
3
100K电位器
2
排针
若干
0.1uf电容
3
八、小组分工
组员
分工
高浩斌（组长）
搜集资料、焊板、调试电路
邓毅
搜集资料、焊板、调试电路
郭剑桥
搜集资料、调试电路、撰写报告
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